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JP3580917B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極で挟んで構成される燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体高分子電解質膜型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質とこの電解質の両側にそれぞれ配置される触媒電極および多孔質カーボン電極とからなる燃料電池構造体(単位セル)をセパレータによって挟持して複数個積層することにより構成される。
【0003】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された水素は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素が反応して水が生成される。
【0004】
ところで、この種の燃料電池においては、例えば、図11に示すように、燃料電池構造体2とセパレータ4とが交互に積層されるとともに、前記燃料電池構造体2の発電機能部(電極部)2aに燃料ガス(例えば、水素ガス)と酸化剤ガス(例えば、酸素ガス)の流れ方向に平行して冷却水が供給される構造が知られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の構造では、発電機能部2aの上下方向に冷却水が流れるため、熱の放散によってこの発電機能部2aの中央部分と該発電機能部2aの両側とで比較的大きな温度差が生ずる。これにより、発電機能部2aの両側で温度低下に起因して水の凝集結露が惹起し、この発電機能部2aに作動しない部分が発生してしまう。しかも、発電機能部2aには、低温のために性能が低下している部分が生じ易い。これによって、発電機能部2aの有効作動面積および性能が著しく低下するという問題が指摘されている。
【0006】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で燃料電池構造体に部分的な温度差が発生することを阻止し、有効作動面積および性能を確保することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、本発明は、燃料電池構造体の発電機能部を冷却するために使用された冷却媒体を、この発電機能部の外方に沿って巡回させている。従って、発電機能部の外方には、前記発電機能部で熱交換が行われて温度が高くなった冷却媒体が流れることになる。これにより、発電機能部の中央部と該発電機能部の外方端部との温度差が小さくなるとともに、結露を防止することができ、前記発電機能部の有効作動面積および性能の向上が図られる。
【0008】
【発明の実施の形態】
図1および図2に示すように、本実施形態に係る燃料電池10は、燃料電池セル(燃料電池構造体)20を水平方向に多数積層して構成される。該燃料電池セル20は、固体高分子電解質膜22を挟んでアノード側電極26とカソード側電極24とから構成される発電機能部28を含む。この発電機能部28の構成については、例えば、国際公表公報W094−15377号に詳細な記載があり、本発明では、これを援用する。この場合、図2に示すように、固体高分子電解質膜22とアノード側電極26とカソード側電極24とはそれぞれ分離構成されているが、これらを一体構成としてもよい。
【0009】
図3に示すように、電解質膜22の上部側には、水素等の燃料ガスを1つの方向へと通過させるための長円状の孔部22aと、冷却水を通過させるための孔部22bと、酸化剤ガス、例えば、酸素ガスを通過させるための孔部22cとが設けられる。電解質膜22の下部側には、燃料ガスを通過させるための孔部22dと、冷却水を通過させるための孔部22eと、酸化剤ガスを通過させるための孔部22fとが設けられる。電解質膜22の両側部側には、発電機能部28の冷却に使用された冷却水(冷却媒体)を、この発電機能部28の外方に沿って巡回させる巡回通路29a、29bを構成する孔部23a〜23c、23d〜23fが形成される。
【0010】
このように構成される発電機能部28の両側に第1ガスケット30と第2ガスケット32とが設けられる。図4に示すように、第1ガスケット30は、カソード側電極24を収納するための大きな開口部34を有し、一方、第2ガスケット32にはアノード側電極26を収納するための開口部36が画成されている。第1ガスケット30には、電解質膜22と同様に、燃料ガスを通過させるための孔部30aと30d、冷却水を通過させるための孔部30bと30e、酸化剤ガスを通過させるための孔部30cと30fが、それぞれ上部側と下部側に設けられる。この第1ガスケット30の両側部側には、巡回通路29a、29bを構成する孔部31a〜31c、31d〜31fが形成されており、第2ガスケット32は、この第1ガスケット30と同様に構成される。
【0011】
燃料電池セル20は、セパレータ40により挟持される。図2に示すように、セパレータ40は、第1マニホールド板42と、この第1マニホールド板42に当接する第1面圧発生板44と第2面圧発生板46との間で挟持されるセパレータ本体48と、前記第2面圧発生板46に当接する第2マニホールド板50とから構成される。
【0012】
図5に示すように、第1マニホールド板42は、矩形状の平板で構成され、その右上隅角部に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給用凹部42aが設けられ、これに隣接して冷却水を排出するための冷却水排出用孔部42bが設けられる。第1マニホールド板42の左上隅角部には酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給用孔部42cが設けられるとともに、この第1マニホールド板42の左下隅角部には、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出用凹部42dが設けられ、この燃料ガス排出用凹部42dから右下隅角部に向かって冷却水供給用孔部42eと酸化剤ガス排出用孔部42fとが順次設けられる。前記燃料ガス供給用凹部42aと燃料ガス排出用凹部42dとは、後述する燃料ガス用整流板80を収納する開口部45によって連通状態にある。第1マニホールド板42の両側部側には、巡回通路29a、29bを構成する孔部43a〜43c、43d〜43fが形成される。
【0013】
第1マニホールド板42と第2マニホールド板50とは基本的に対称に構成されており、これを図6に示す。第2マニホールド板50についてはその詳細な説明を省略するが、その上部側に燃料ガス供給用孔部50aと冷却水排出用孔部50bと酸化剤ガス供給用凹部50cとが設けられる一方、その下部側には燃料ガス排出用孔部50dと冷却水供給用孔部50eと酸化剤ガス排出用凹部50fとが設けられる。前記酸化剤ガス供給用凹部50cと酸化剤ガス排出用凹部50fとは、後述する酸化剤ガス用整流板82を収納する開口部52によって連通状態にある。第2マニホールド板50の両側部側には、巡回通路29a、29bを構成する孔部51a〜51c、51d〜51fが形成される。
【0014】
第1マニホールド板42に当接する第1面圧発生板44は、図7に示すように、電子導電材で構成された平板または後述する燃料ガス用整流板80と一体化、または同一材で加工製造されたものからなり、その上部側には、第1マニホールド板42の燃料ガス供給用凹部42aに連通する燃料ガス供給用連通孔44aと、冷却水排出用孔部42bに連通する冷却水排出用連通孔44bと、酸化剤ガス供給用孔部42cに連通する連通孔44cとが設けられる。第1面圧発生板44の下部側には、第1マニホールド板42の燃料ガス排出用凹部42dに連通する連通孔44dと、冷却水供給用孔部42eに連通する連通孔44eと、酸化剤ガス排出用孔部42fに連通する連通孔44fとが設けられる。第1面圧発生板44の両側部側には、第1マニホールド板42の孔部43a〜43c、43d〜43fに連通する孔部57a〜57c、57d〜57fが形成される。なお、第2面圧発生板46は、この第1面圧発生板44と実質的に同一構成であり、その詳細な説明を省略する。
【0015】
第3のマニホールド板であるセパレータ本体48は、冷却水を下方から上方に供給して発電機能部28を冷却するためのものである。図8に示すように、比較的厚めのセパレータ本体48は、好ましくは導電性緻密材(中実体)で構成され、第1マニホールド板42の燃料ガス供給用凹部42a、第1面圧発生板44の連通孔44aに連通して燃料ガスを供給するための燃料ガス供給用孔部48aをその右上隅角部に有する。第1マニホールド板42の冷却水排出用孔部42b、第1面圧発生板44の連通孔44bに連通する冷却水排出用凹部48bが前記孔部48aに隣接し、かつこのセパレータ本体48の略中央上部に設けられるとともに、左上隅角部には第1マニホールド板42の酸化剤ガス供給用孔部42c、第1面圧発生板44の連通孔44cに連通する酸化剤ガス供給用孔部48cが設けられる。
【0016】
セパレータ本体48の左下隅角部には、第1マニホールド板42の燃料ガス排出用凹部42d、第1面圧発生板44の連通孔44dに連通する孔部48dが設けられ、冷却水排出用凹部48bの直下に冷却水供給用凹部48eが設けられている。セパレータ本体48の右下隅角部には、酸化剤ガス排出用孔部48fが設けられる。凹部48bと凹部48eは、大きく画成された開口部62によって連通状態にある。セパレータ本体48の両側部側には、第1マニホールド板42の孔部43a〜43c、43d〜43fおよび第1面圧発生板44の孔部57a〜57c、57d〜57fに連通する孔部49a〜49c、49d〜49fが形成される。
【0017】
セパレータ本体48の開口部62に冷却水用整流板70、72が嵌合固定される。冷却水用整流板70、72が接合されると、前記セパレータ本体48の厚さと略同じ厚さになる。冷却水用整流板70は、図2において、垂直方向へと延在する複数本の並列な溝70aを有し、同様に、冷却水用整流板72も平行な溝72aを複数本並設している。これらの冷却水用整流板70、72を合わせると、溝70a、72aはそれぞれ大きな冷却水整流用通路(冷却通路)を互いに画成することになり、それぞれの冷却水整流用通路は、前記冷却水排出用凹部48b、冷却水供給用凹部48eとの連通状態を確保する。
【0018】
図2に示すように、第1マニホールド板42の開口部45に燃料ガス用整流板80が嵌合される。前記燃料ガス用整流板80の一面は平坦に構成され、他面には垂直方向へと延在する複数本の平行な溝80aが画成される。この平行な溝80aによって燃料ガス供給用凹部42aと燃料ガス排出用凹部42dとが連通する。
【0019】
第2マニホールド板50の開口部52に、酸化剤ガス用整流板82が嵌合される。前記酸化剤ガス用整流板82の一面は平坦に構成され、他面には垂直方向へと延在する複数本の平行な溝82aを画成している。この平行な溝82aによって酸化剤ガス供給用凹部50cと酸化剤ガス排出用凹部50fとが連通する。なお、第1マニホールド板42と整流板80の厚さと、第2マニホールド板50と整流板82の厚さは、実質的に同一である。
【0020】
このように構成されるセパレータ本体48は、第1面圧発生板44、第2面圧発生板46で挟持され、さらにこれらが第1マニホールド板42、第2マニホールド板50で挟持される。第1マニホールド板42に第2ガスケット32が当接し、第2マニホールド板50に第1ガスケット30が当接し、それぞれのガスケット30、32の間に発電機能部28が挟持される。
【0021】
図2に示す矢印方向に沿って説明すると、整流板80を組み込んだ第1マニホールド板42、第2ガスケット32、アノード側電極26、電解質膜22、カソード側電極24、第1ガスケット30、整流板82を組み込んだ第2マニホールド板50、第2面圧発生板46、整流板70、72を組み込んだセパレータ本体48、第1面圧発生板44の如く、これらの組を多数積層し、一方の積層端部を第1エンドプレート84に当接させ、他方の積層端部を第2エンドプレート86に当接させ、該第1および第2のエンドプレート84、86がスタッドボルト87で緊締される(図1参照)。
【0022】
第1エンドプレート84には、第1マニホールド板42の冷却水排出用孔部42bに対面しかつ冷却水を左右に分流させるための溝部84aが形成されるとともに、この溝部84aの両端部が前記第1マニホールド板42の孔部43a、43dに対面する。第1エンドプレート84の両側部側には、第1マニホールド板42の孔部43b、43c同士および孔部43e、43f同士を連通するための溝部84b、84cが設けられる。第1エンドプレート84には、さらに酸化剤ガスを導入するための貫通孔84dと、この酸化剤ガスを排出するための貫通孔84eとが形成される。
【0023】
第2エンドプレート86には、第2マニホールド板50の燃料ガス供給用孔部50aに連通して燃料ガスを供給するための貫通孔86aと、冷却水供給用孔部50eに連通する貫通孔86bと、燃料ガス排出用孔部50dに連通する貫通孔86cと、孔部51c、51fに連通する貫通孔86d、86eが形成される(図2参照)。第2エンドプレート86の第2マニホールド板50に対面する内面部には、この第2マニホールド板50の孔部51a、51b同士および51d、51e同士を連通するための溝部88a、88bが設けられる。
【0024】
このように構成される燃料電池10の動作について説明する。
【0025】
先ず、複数の燃料電池セル20がセパレータ40に挟持され、それぞれの連通孔、孔部および凹部が連通するように積層されて第1および第2のエンドプレート84、86により固定される。
【0026】
そこで、燃料ガス(水素ガス)が第2エンドプレート86の貫通孔86aから燃料電池10に供給されると、この燃料ガスは、第2マニホールド板50の燃料ガス供給用孔部50aから第1マニホールド板42の燃料ガス供給用凹部42aに供給され、この燃料ガス供給用凹部42aに連通する開口部45に配設された燃料ガス用整流板80の溝80aを介して発電機能部28を構成するアノード側電極26に供給される。
【0027】
一方、酸化剤ガス(空気)は、第1エンドプレート84の貫通孔84dから燃料電池10に供給され、第1マニホールド板42の酸化剤ガス供給用孔部42cおよびセパレータ本体48の酸化剤ガス供給用孔部48cを介して第2マニホールド板50の酸化剤ガス供給用凹部50cに至る。酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給用凹部50cから酸化剤ガス用整流板82の溝82aを通ってカソード側電極24に供給される。
【0028】
なお、未使用の燃料ガスは、第1マニホールド板42の燃料ガス排出用凹部42d等を介して第2エンドプレート86の貫通孔86cから外部に排出され、未使用の酸化剤ガスは、第2マニホールド板50の酸化剤ガス排出用凹部50f等を介して第1エンドプレート84の貫通孔84eから外部に排出される。
【0029】
また、冷却水は、第2エンドプレート86の貫通孔86bから燃料電池10内に供給され、第2マニホールド板50の冷却水供給用孔部50e等を介してセパレータ本体48の冷却水供給用凹部48eに至る。冷却水は、セパレータ本体48の開口部62に嵌合固定されている冷却水用整流板70、72間に画成された冷却水整流用通路に沿って上方へと流動し、発電機能部28で発生する熱を吸収してこの発電機能部28を冷却した後、セパレータ本体48の冷却水排出用凹部48bから第1エンドプレート84側に流動する。
【0030】
発電機能部28の除熱に使用された冷却水は、第1エンドプレート84に設けられた溝部84aから巡回通路29a、29bを通って第2エンドプレート86の貫通孔86d、86eから外部に排出される。すなわち、第1エンドプレート84の溝部84aに導入された冷却水は、この溝部84aに沿って左右に分流され、それぞれ巡回通路29a、29bを構成する第1マニホールド板42の孔部43a、43dに供給される。
【0031】
第1マニホールド板42の孔部43aに供給された冷却水は、セパレータ本体48の孔部49aおよび第2マニホールド板50の孔部51a等を介して第2エンドプレート86の溝部88aに至る。冷却水は、この溝部88aに連通する第2マニホールド板50の孔部51b、セパレータ本体48の孔部49bおよび第1マニホールド板42の孔部43b等を介して第1エンドプレート84の溝部84bに導入される。このため、冷却水は、さらに溝部84bから第1マニホールド板42の孔部43c、セパレータ本体48の孔部49cおよび第2マニホールド板50の孔部51c等を介して第2エンドプレート86の貫通孔86dから外部に排出される。
【0032】
一方、第1エンドプレート84の溝部84aから巡回通路29bに供給された冷却水は、同様に、第1マニホールド板42、セパレータ本体48および第2マニホールド板50において、孔部43d、49dおよび51dを介して第2エンドプレート86の溝部88bに至った後、孔部51e、49eおよび43eを介して第1エンドプレート84の溝部84cに戻される。さらに、冷却水は、この溝部84cに連通する孔部43f、49fおよび51fを介して第2エンドプレート86の貫通孔86eから外部に排出される(図1参照)。
【0033】
このように、本実施形態では、燃料電池10に供給されて発電機能部28の除熱を行った冷却水を、巡回通路29a、29bに沿って前記発電機能部28の両側を巡回させている。このため、発電機能部28の両側には、この発電機能部28で熱交換が行われて温度が高くなった冷却水が巡回通路29a、29bに沿って流れることになり、該発電機能部28の両端部近傍の温度低下を阻止することができる(図9参照)。
【0034】
これにより、発電機能部28の中央部とこの発電機能部28の両端縁部との温度差を可及的に小さくすることができるとともに、該発電機能部28の両端縁部に温度低下により結露が発生することを確実に阻止することが可能になる。従って、発電機能部28に結露によって作動しない部分が発生することがなく、しかも、低温による性能低下部分が削減される。このため、前記発電機能部28の有効作動面積および性能の向上が有効に図られるという効果が得られる。
【0035】
さらに、本実施形態では、燃料電池10内に熱交換後の冷却水を発電機能部28の両外方に沿って巡回させる巡回通路29a、29bを設けるだけであり、この燃料電池10全体の構造が複雑化することがなく、容易かつ経済的に対応することが可能になる。
【0036】
ところで、本実施形態では、巡回通路29a、29bが発電機能部28の両側をそれぞれ3回(1往復半)ずつ通過するように構成しているが、図10に示す巡回通路90a、90bを用いてもよい。この巡回通路90a、90bを構成する長孔92a、92bは、第2マニホールド板50の両側部に対し鉛直方向に長尺に形成される。第1マニホールド板42、第2ガスケット32、電解質膜22、第1ガスケット30、第2面圧発生板46、セパレータ本体48および第1面圧発生板44の両側部には、図示しないが、それぞれ鉛直方向に長尺な長孔が連通して形成される。
【0037】
このように構成される巡回通路90a、90bでは、発電機能部28の除熱に使用されて第1エンドプレート84側に送られた冷却水を鉛直方向に長尺な長孔92a、92b等を介して巡回させた後、この冷却水を外部に排出する。従って、発電機能部28の両側を上下方向に一体的に温度調整することができる他、上記の巡回通路29a、29bと同様の効果が得られる。
【0038】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、発電機能部で熱交換された比較的温度の高い冷却媒体をこの発電機能部の外方に沿って巡回させることにより、前記発電機能部に部分的な温度差が惹起することがない。これによって、結露の発生を防止することができ、発電機能部の有効作動面積および性能の向上が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る燃料電池の概略斜視説明図である。
【図2】前記燃料電池の一部省略分解斜視図である。
【図3】前記燃料電池を構成する発電機能部の正面図である。
【図4】前記燃料電池を構成するガスケットの正面説明図である。
【図5】前記燃料電池を構成するマニホールド板の正面説明図である。
【図6】前記燃料電池を構成するマニホールド板の正面説明図である。
【図7】前記燃料電池を構成する面圧発生板の正面説明図である。
【図8】前記燃料電池を構成するセパレータ本体の正面説明図である。
【図9】前記燃料電池を構成する前記発電機能部の横方向の温度説明図である。
【図10】巡回通路の他の構成を説明する燃料電池の一部省略斜視図である。
【図11】従来技術に係る発電機能部の横方向の温度説明図である。
【符号の説明】
10…燃料電池 20…燃料電池セル
22…固体高分子電解質膜
23a〜23f、31a〜31f、43a〜43f、49a〜49f、51a〜51f、57a〜57f…孔部
24…カソード側電極 26…アノード側電極
28…発電機能部 29a、29b、90a、90b…巡回通路
30、32…ガスケット 40…セパレータ
42、50…マニホールド板 44、46…面圧発生板
48…セパレータ本体 70、72…冷却水整流板
84、86…エンドプレート 84a〜84c、88a、88b…溝部
92a、92b…長孔
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between an anode and a cathode.
[0002]
[Prior art]
In a solid polymer electrolyte membrane fuel cell, a fuel cell structure (unit cell) comprising an electrolyte comprising a polymer ion exchange membrane and a catalyst electrode and a porous carbon electrode disposed on both sides of the electrolyte is sandwiched by separators. And a plurality of such layers are stacked.
[0003]
In this type of fuel cell, hydrogen supplied to the anode electrode is hydrogen-ionized on the catalyst electrode, and moves to the cathode electrode side via a moderately humidified electrolyte. The electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as DC electric energy. Since an oxidizing gas, for example, oxygen gas or air is supplied to the cathode electrode, the hydrogen ions, the electrons, and oxygen react at the cathode electrode to generate water.
[0004]
By the way, in this type of fuel cell, for example, as shown in FIG. 11, fuel cell structures 2 and separators 4 are alternately stacked, and a power generation function unit (electrode unit) of the fuel cell structure 2 A structure is known in which cooling water is supplied to 2a in parallel with the flow direction of a fuel gas (for example, hydrogen gas) and an oxidizing gas (for example, oxygen gas).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above structure, since the cooling water flows in the vertical direction of the power generation function unit 2a, a relatively large temperature difference occurs between the central portion of the power generation function unit 2a and both sides of the power generation function unit 2a due to heat dissipation. . As a result, water condensed and condensed on both sides of the power generation function unit 2a due to a temperature drop, and a portion of the power generation function unit 2a that does not operate is generated. Moreover, in the power generation function unit 2a, a part whose performance is deteriorated due to low temperature is likely to occur. As a result, a problem has been pointed out that the effective operating area and performance of the power generation function unit 2a are significantly reduced.
[0006]
The present invention solves this kind of problem, and can prevent a partial temperature difference from occurring in a fuel cell structure with a simple configuration, and can secure an effective working area and performance. It is intended to provide a battery.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the present invention circulates a cooling medium used for cooling the power generation function of the fuel cell structure along the outside of the power generation function. Therefore, the cooling medium whose temperature has been increased by the heat exchange performed by the power generation function unit flows outside the power generation function unit. Thereby, the temperature difference between the central portion of the power generation function portion and the outer end portion of the power generation function portion is reduced, and dew condensation can be prevented, so that the effective operation area and performance of the power generation function portion can be improved. Can be
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell 10 according to the present embodiment is configured by stacking a large number of fuel cells (fuel cell structures) 20 in a horizontal direction. The fuel cell 20 includes a power generation function unit 28 including an anode 26 and a cathode 24 with a solid polymer electrolyte membrane 22 interposed therebetween. The configuration of the power generation function unit 28 is described in detail in, for example, International Publication No. WO09-15377, which is incorporated in the present invention. In this case, as shown in FIG. 2, the solid polymer electrolyte membrane 22, the anode-side electrode 26, and the cathode-side electrode 24 are separated from each other, but they may be integrated.
[0009]
As shown in FIG. 3, on the upper side of the electrolyte membrane 22, an oval hole 22a for passing a fuel gas such as hydrogen in one direction and a hole 22b for passing a cooling water are provided. And a hole 22c for passing an oxidizing gas, for example, an oxygen gas. A hole 22d for passing the fuel gas, a hole 22e for passing the cooling water, and a hole 22f for passing the oxidizing gas are provided below the electrolyte membrane 22. On both sides of the electrolyte membrane 22, holes forming circulation passages 29 a and 29 b for circulating cooling water (cooling medium) used for cooling the power generation function unit 28 along the outside of the power generation function unit 28. Parts 23a to 23c and 23d to 23f are formed.
[0010]
A first gasket 30 and a second gasket 32 are provided on both sides of the power generation function unit 28 thus configured. As shown in FIG. 4, the first gasket 30 has a large opening 34 for accommodating the cathode-side electrode 24, while the second gasket 32 has an opening 36 for accommodating the anode-side electrode 26. Is defined. Like the electrolyte membrane 22, the first gasket 30 has holes 30a and 30d for passing fuel gas, holes 30b and 30e for passing cooling water, and holes for passing oxidizing gas. 30c and 30f are provided on the upper side and the lower side, respectively. On both sides of the first gasket 30, holes 31 a to 31 c and 31 d to 31 f forming the circulation passages 29 a and 29 b are formed, and the second gasket 32 has the same configuration as the first gasket 30. Is done.
[0011]
The fuel cell 20 is sandwiched between separators 40. As shown in FIG. 2, the separator 40 is a separator sandwiched between a first manifold plate 42 and a first surface pressure generating plate 44 and a second surface pressure generating plate 46 which are in contact with the first manifold plate 42. It comprises a main body 48 and a second manifold plate 50 abutting on the second surface pressure generating plate 46.
[0012]
As shown in FIG. 5, the first manifold plate 42 is formed of a rectangular flat plate, and is provided with a fuel gas supply concave portion 42a for supplying a fuel gas at an upper right corner thereof. A cooling water discharge hole 42b for discharging the cooling water is provided. An oxidizing gas supply hole 42c for supplying an oxidizing gas is provided at an upper left corner of the first manifold plate 42, and a fuel gas is supplied to a lower left corner of the first manifold plate 42. A fuel gas discharging recess 42d for discharging is provided, and a cooling water supply hole 42e and an oxidizing gas discharging hole 42f are sequentially provided from the fuel gas discharging recess 42d toward the lower right corner. . The fuel gas supply concave portion 42a and the fuel gas discharge concave portion 42d are in communication with each other through an opening 45 for accommodating a fuel gas straightening plate 80 described later. On both sides of the first manifold plate 42, holes 43a to 43c and 43d to 43f forming the circulation passages 29a and 29b are formed.
[0013]
The first manifold plate 42 and the second manifold plate 50 are basically configured symmetrically, as shown in FIG. Although a detailed description of the second manifold plate 50 is omitted, a fuel gas supply hole 50a, a cooling water discharge hole 50b, and an oxidant gas supply recess 50c are provided on the upper side thereof. On the lower side, a fuel gas discharge hole 50d, a cooling water supply hole 50e, and an oxidant gas discharge recess 50f are provided. The oxidizing gas supply concave portion 50c and the oxidizing gas discharging concave portion 50f are in communication with each other through an opening 52 that accommodates an oxidizing gas straightening plate 82 described later. On both sides of the second manifold plate 50, holes 51a to 51c and 51d to 51f forming the circulation passages 29a and 29b are formed.
[0014]
As shown in FIG. 7, the first surface pressure generating plate 44 abutting on the first manifold plate 42 is integrated with a flat plate made of an electronic conductive material or a fuel gas rectifying plate 80 to be described later, or is made of the same material. The fuel gas supply communication hole 44a communicating with the fuel gas supply recess 42a of the first manifold plate 42 and the cooling water discharge communicating with the cooling water discharge hole 42b are provided on the upper side thereof. Communication hole 44b and a communication hole 44c communicating with the oxidizing gas supply hole 42c. A communication hole 44d communicating with the fuel gas discharge recess 42d of the first manifold plate 42, a communication hole 44e communicating with the cooling water supply hole 42e, and an oxidizing agent are provided below the first surface pressure generating plate 44. A communication hole 44f communicating with the gas discharge hole 42f is provided. On both sides of the first surface pressure generating plate 44, holes 57a to 57c, 57d to 57f communicating with the holes 43a to 43c, 43d to 43f of the first manifold plate 42 are formed. The second surface pressure generating plate 46 has substantially the same configuration as the first surface pressure generating plate 44, and a detailed description thereof will be omitted.
[0015]
The separator body 48, which is the third manifold plate, is for supplying cooling water from below to above to cool the power generation function unit 28. As shown in FIG. 8, the relatively thick separator body 48 is preferably made of a conductive dense material (solid body), the fuel gas supply recess 42 a of the first manifold plate 42, and the first surface pressure generation plate 44. A fuel gas supply hole 48a for supplying the fuel gas by communicating with the communication hole 44a of the fuel cell is provided at the upper right corner thereof. A cooling water discharge hole 42b of the first manifold plate 42 and a cooling water discharge recess 48b communicating with a communication hole 44b of the first surface pressure generating plate 44 are adjacent to the hole 48a. The oxidizing gas supply hole 42c of the first manifold plate 42 and the oxidizing gas supply hole 48c communicating with the communication hole 44c of the first surface pressure generating plate 44 are provided at the upper center and at the upper left corner. Is provided.
[0016]
At the lower left corner of the separator body 48, a fuel gas discharge recess 42d of the first manifold plate 42 and a hole 48d communicating with the communication hole 44d of the first surface pressure generating plate 44 are provided. A cooling water supply recess 48e is provided directly below 48b. At the lower right corner of the separator body 48, an oxidizing gas discharge hole 48f is provided. The concave portion 48b and the concave portion 48e are in communication with each other by an opening 62 which is largely defined. On both sides of the separator main body 48, holes 49a to 43d communicating with the holes 43a to 43c and 43d to 43f of the first manifold plate 42 and the holes 57a to 57c and 57d to 57f of the first surface pressure generating plate 44. 49c, 49d to 49f are formed.
[0017]
Rectifying plates 70 and 72 for cooling water are fitted and fixed to the opening 62 of the separator body 48. When the flow straightening plates 70 and 72 for cooling water are joined, the thickness becomes substantially the same as the thickness of the separator main body 48. In FIG. 2, the cooling water straightening plate 70 has a plurality of parallel grooves 70a extending in the vertical direction. Similarly, the cooling water straightening plate 72 has a plurality of parallel grooves 72a. ing. When these cooling water straightening plates 70, 72 are combined, the grooves 70a, 72a respectively define large cooling water straightening passages (cooling passages), and the respective cooling water straightening passages are formed by the cooling water straightening passages. The state of communication with the water discharge recess 48b and the cooling water supply recess 48e is ensured.
[0018]
As shown in FIG. 2, a fuel gas rectifying plate 80 is fitted into the opening 45 of the first manifold plate 42. One surface of the fuel gas baffle 80 is flat, and the other surface is formed with a plurality of parallel grooves 80a extending in the vertical direction. The parallel groove 80a connects the fuel gas supply recess 42a and the fuel gas discharge recess 42d.
[0019]
An oxidizing gas straightening plate 82 is fitted into the opening 52 of the second manifold plate 50. One surface of the oxidizing gas gas flow regulating plate 82 is flat, and the other surface defines a plurality of parallel grooves 82a extending in the vertical direction. The parallel groove 82a connects the oxidant gas supply recess 50c and the oxidant gas discharge recess 50f. Note that the thickness of the first manifold plate 42 and the rectifying plate 80 and the thickness of the second manifold plate 50 and the rectifying plate 82 are substantially the same.
[0020]
The separator body 48 thus configured is sandwiched between the first surface pressure generating plate 44 and the second surface pressure generating plate 46, and these are further sandwiched between the first manifold plate 42 and the second manifold plate 50. The second gasket 32 abuts on the first manifold plate 42, the first gasket 30 abuts on the second manifold plate 50, and the power generation function unit 28 is sandwiched between the gaskets 30 and 32.
[0021]
Explaining in the direction of the arrow shown in FIG. 2, the first manifold plate 42 incorporating the current plate 80, the second gasket 32, the anode 26, the electrolyte membrane 22, the cathode 24, the first gasket 30, the current plate A large number of these sets are laminated, such as a second manifold plate 50 incorporating the 82, a second surface pressure generating plate 46, a separator body 48 incorporating the rectifying plates 70 and 72, and a first surface pressure generating plate 44. The laminated end portion is brought into contact with the first end plate 84, and the other laminated end portion is brought into contact with the second end plate 86, and the first and second end plates 84 and 86 are tightened with stud bolts 87. (See FIG. 1).
[0022]
The first end plate 84 is formed with a groove 84a facing the cooling water discharge hole 42b of the first manifold plate 42 and for diverting the cooling water to the left and right, and both ends of the groove 84a are formed as described above. It faces the holes 43a and 43d of the first manifold plate 42. On both sides of the first end plate 84, grooves 84b and 84c for communicating the holes 43b and 43c and the holes 43e and 43f of the first manifold plate 42 are provided. In the first end plate 84, a through hole 84d for introducing the oxidizing gas and a through hole 84e for discharging the oxidizing gas are further formed.
[0023]
The second end plate 86 has a through hole 86a communicating with the fuel gas supply hole 50a of the second manifold plate 50 to supply the fuel gas, and a through hole 86b communicating with the cooling water supply hole 50e. Thus, a through hole 86c communicating with the fuel gas discharge hole 50d and through holes 86d and 86e communicating with the holes 51c and 51f are formed (see FIG. 2). On the inner surface of the second end plate 86 facing the second manifold plate 50, grooves 88a and 88b for communicating the holes 51a and 51b and the holes 51d and 51e of the second manifold plate 50 are provided.
[0024]
The operation of the fuel cell 10 configured as described above will be described.
[0025]
First, the plurality of fuel cells 20 are sandwiched between the separators 40, stacked so that the respective communication holes, holes and recesses communicate with each other, and fixed by the first and second end plates 84 and 86.
[0026]
Then, when the fuel gas (hydrogen gas) is supplied to the fuel cell 10 from the through hole 86a of the second end plate 86, the fuel gas is supplied from the fuel gas supply hole 50a of the second manifold plate 50 to the first manifold. The power generation function section 28 is supplied to the fuel gas supply concave portion 42a of the plate 42 and is provided through the groove 80a of the fuel gas straightening plate 80 provided in the opening 45 communicating with the fuel gas supply concave portion 42a. It is supplied to the anode 26.
[0027]
On the other hand, the oxidizing gas (air) is supplied to the fuel cell 10 through the through hole 84 d of the first end plate 84, and the oxidizing gas supply hole 42 c of the first manifold plate 42 and the oxidizing gas supply It reaches the oxidant gas supply concave portion 50c of the second manifold plate 50 through the hole 48c. The oxidizing gas is supplied to the cathode 24 from the oxidizing gas supply recess 50c through the groove 82a of the oxidizing gas straightening plate 82.
[0028]
The unused fuel gas is discharged to the outside from the through hole 86c of the second end plate 86 via the fuel gas discharge recess 42d of the first manifold plate 42, and the unused oxidant gas is discharged to the second manifold 86. The gas is discharged to the outside from the through hole 84e of the first end plate 84 via the oxidant gas discharge recess 50f of the manifold plate 50 and the like.
[0029]
The cooling water is supplied into the fuel cell 10 from the through hole 86b of the second end plate 86, and the cooling water supply recess of the separator main body 48 via the cooling water supply hole 50e of the second manifold plate 50 and the like. 48e. The cooling water flows upward along the cooling water straightening passage defined between the cooling water straightening plates 70 and 72 fitted and fixed to the opening 62 of the separator main body 48, and the power generation function unit 28 After cooling the power generation function section 28 by absorbing the heat generated in the first step, the power flows from the cooling water discharge recess 48b of the separator body 48 to the first end plate 84 side.
[0030]
The cooling water used for heat removal of the power generation function unit 28 is discharged from the groove 84 a provided in the first end plate 84 to the outside through the through holes 86 d and 86 e of the second end plate 86 through the circulation passages 29 a and 29 b. Is done. That is, the cooling water introduced into the groove 84a of the first end plate 84 is diverted to the left and right along the groove 84a, and flows into the holes 43a and 43d of the first manifold plate 42 forming the circulation passages 29a and 29b, respectively. Supplied.
[0031]
The cooling water supplied to the hole 43a of the first manifold plate 42 reaches the groove 88a of the second end plate 86 via the hole 49a of the separator body 48, the hole 51a of the second manifold plate 50, and the like. The cooling water is supplied to the groove 84b of the first end plate 84 via the hole 51b of the second manifold plate 50, the hole 49b of the separator main body 48, the hole 43b of the first manifold plate 42, and the like communicating with the groove 88a. be introduced. For this reason, the cooling water further flows from the groove 84b through the hole 43c of the first manifold plate 42, the hole 49c of the separator main body 48, the hole 51c of the second manifold plate 50, and the like. 86d is discharged outside.
[0032]
On the other hand, the cooling water supplied from the groove portion 84a of the first end plate 84 to the circulation passage 29b similarly causes the holes 43d, 49d, and 51d in the first manifold plate 42, the separator body 48, and the second manifold plate 50. After reaching the groove 88b of the second end plate 86 via the holes 51e, 49e and 43e, it is returned to the groove 84c of the first end plate 84. Further, the cooling water is discharged to the outside from the through hole 86e of the second end plate 86 via the holes 43f, 49f, and 51f communicating with the groove 84c (see FIG. 1).
[0033]
As described above, in the present embodiment, the cooling water supplied to the fuel cell 10 and removing the heat of the power generation function unit 28 is circulated on both sides of the power generation function unit 28 along the circulation passages 29a and 29b. . For this reason, on both sides of the power generation function unit 28, the cooling water whose temperature has been increased due to the heat exchange performed by the power generation function unit 28 flows along the circulation passages 29a and 29b. (See FIG. 9).
[0034]
Thereby, the temperature difference between the central portion of the power generation function portion 28 and the both end portions of the power generation function portion 28 can be made as small as possible, and the both ends of the power generation function portion 28 are condensed due to the temperature drop. Can be reliably prevented from occurring. Therefore, there is no portion that does not operate due to dew condensation in the power generation function portion 28, and the portion where the performance is deteriorated due to low temperature is reduced. Therefore, an effect is obtained that the effective operating area and the performance of the power generation function unit 28 can be effectively improved.
[0035]
Furthermore, in the present embodiment, only the circulation passages 29a and 29b for circulating the cooling water after the heat exchange along both outer sides of the power generation function unit 28 are provided in the fuel cell 10, and the entire structure of the fuel cell 10 is provided. Can be dealt with easily and economically without any complication.
[0036]
By the way, in the present embodiment, the circulation passages 29a and 29b are configured to pass three times (one reciprocating half) on both sides of the power generation function unit 28, respectively. However, the circulation passages 90a and 90b shown in FIG. You may. The elongated holes 92a and 92b forming the circuit passages 90a and 90b are formed to be long in the vertical direction with respect to both side portions of the second manifold plate 50. Although not shown, both sides of the first manifold plate 42, the second gasket 32, the electrolyte membrane 22, the first gasket 30, the second surface pressure generating plate 46, the separator body 48 and the first surface pressure generating plate 44 Elongated long holes communicate with each other in the vertical direction.
[0037]
In the circulation passages 90a and 90b configured as described above, the cooling water used for heat removal of the power generation function unit 28 and sent to the first end plate 84 side is provided with vertically long holes 92a and 92b and the like. After passing through the cooling water, the cooling water is discharged to the outside. Therefore, the temperature of both sides of the power generation function unit 28 can be integrally adjusted in the vertical direction, and the same effects as those of the above-described circulation passages 29a and 29b can be obtained.
[0038]
【The invention's effect】
In the fuel cell according to the present invention, a relatively high-temperature cooling medium heat-exchanged in the power generation function unit is circulated along the outside of the power generation function unit, so that a partial temperature difference is generated in the power generation function unit. No cause. As a result, the occurrence of dew condensation can be prevented, and the effective operating area and performance of the power generation function unit can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective explanatory view of a fuel cell according to the present invention.
FIG. 2 is a partially omitted exploded perspective view of the fuel cell.
FIG. 3 is a front view of a power generation function unit constituting the fuel cell.
FIG. 4 is an explanatory front view of a gasket constituting the fuel cell.
FIG. 5 is an explanatory front view of a manifold plate constituting the fuel cell.
FIG. 6 is an explanatory front view of a manifold plate constituting the fuel cell.
FIG. 7 is an explanatory front view of a surface pressure generating plate constituting the fuel cell.
FIG. 8 is an explanatory front view of a separator main body constituting the fuel cell.
FIG. 9 is an explanatory diagram of a temperature in a lateral direction of the power generation function unit constituting the fuel cell.
FIG. 10 is a partially omitted perspective view of a fuel cell illustrating another configuration of a circuit passage.
FIG. 11 is an explanatory diagram of a temperature in a lateral direction of a power generation function unit according to the related art.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell 20 ... Fuel cell 22 ... Solid polymer electrolyte membranes 23a-23f, 31a-31f, 43a-43f, 49a-49f, 51a-51f, 57a-57f ... Hole 24 ... Cathode side electrode 26 ... Anode Side electrode 28 Power generation function 29a, 29b, 90a, 90b Circulating passage 30, 32 Gasket 40 Separator 42, 50 Manifold plate 44, 46 Surface pressure generating plate 48 Separator body 70, 72 Rectification of cooling water Plates 84, 86: End plates 84a to 84c, 88a, 88b: Grooves 92a, 92b: Slots

Claims (9)

固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される燃料電池構造体と、前記燃料電池構造体を狭持するセパレータとを積層する積層体を備え、前記積層体をエンドプレートで挟持する燃料電池であって、
前記燃料電池の内部には、前記燃料電池構造体の発電機能部を冷却するための冷却通路が設けられるとともに
前記積層体には、前記冷却通路に連通する冷却媒体供給用孔部および冷却媒体排出用孔部と、
前記冷却媒体排出用孔部に連通し前記発電機能部の冷却に使用された冷却媒体を、該発電機能部の外方に沿って巡回させる巡回通路と、
貫通形成されることを特徴とする燃料電池。
Comprising a fuel cell structure constituted by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between the anode electrode and a cathode electrode, a laminate laminating a separator sandwiching said fuel cell structure, the end of the laminate A fuel cell sandwiched between plates ,
Inside the fuel cell, a cooling passage for cooling a power generation function unit of the fuel cell structure is provided ,
In the laminate, a cooling medium supply hole and a cooling medium discharge hole communicating with the cooling passage ,
A passage wherein the cooling medium used coolant communicated to discharge hole for cooling the power generation function unit, Kai cruiser that is cyclically along the outside of the power-generating function unit,
Is formed through the fuel cell.
請求項1記載の燃料電池において、前記燃料電池構造体は、水平方向に積層されるとともに、前記冷却通路は、前記発電機能部に対して前記冷却媒体である液状冷却媒体を上下方向に供給するように構成され、
前記巡回通路は、前記発電機能部の外方両側部に沿って水平方向に該液状冷却媒体を巡回させることを特徴とする燃料電池。
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell structures are stacked in a horizontal direction, and the cooling passage supplies the liquid cooling medium as the cooling medium to the power generation function unit in a vertical direction. 3. Is configured as
The cyclic passage, a fuel cell for causing cyclically the liquid cooling medium in the horizontal direction along the outer sides of the electric generation section.
請求項1または2記載の燃料電池において、前記巡回通路は、前記発電機能部の外方両側部に沿って前記冷却媒体を少なくとも一往復させることを特徴とする燃料電池。3. The fuel cell according to claim 1, wherein the circulation passage reciprocates the cooling medium at least once along both outer sides of the power generation function unit. 4. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の燃料電池において、前記エンドプレートの少なくとも一方には、前記冷却通路を流れた使用済の前記冷却媒体を前記巡回通路に供給するための溝部が設けられることを特徴とする燃料電池。The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, at least one the previous SL end plate, wherein the said cooling medium of spent flowing through the cooling passage grooves for supplying to said cyclic path A fuel cell, which is provided. 請求項1記載の燃料電池において、前記発電機能部は水平方向に積層されるとともに、
少なくとも燃料ガスまたは酸化剤ガスのいずれかである反応ガスを供給するために前記発電機能部の上部側に設けられたガス供給用孔部と、前記反応ガスを排出するために前記発電機能部の下部側に設けられたガス排出用孔部とを備え、
前記冷却通路は、前記発電機能部に対して前記冷却媒体を前記下部側から前記上部側へと流動させる一方、
前記巡回通路は、前記発電機能部に対して前記冷却媒体を左右両側に流動させることを特徴とする燃料電池。
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the power generation function units are stacked in a horizontal direction.
A gas supply hole provided on the upper side of the power generation function unit for supplying at least a reaction gas that is either a fuel gas or an oxidant gas; and a gas supply hole portion for discharging the reaction gas. A gas exhaust hole provided on the lower side,
The cooling passage allows the cooling medium to flow from the lower side to the upper side with respect to the power generation function unit,
The fuel cell according to claim 1, wherein the circulation passage causes the cooling medium to flow to the left and right sides with respect to the power generation function unit.
固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される燃料電池構造体と、前記燃料電池構造体を狭持するセパレータとを積層する積層体を備え、前記積層体をエンドプレートで挟持する燃料電池であって、
前記燃料電池の内部には、前記燃料電池構造体の発電機能部を冷却するための冷却通路が設けられるとともに
前記積層体には、前記冷却通路に連通する冷却媒体供給用孔部および冷却媒体排出用孔部と、
前記冷却媒体排出用孔部に連通し前記発電機能部の冷却に使用された冷却媒体を、該発電機能部の外方に沿って巡回させる巡回通路と、
貫通形成されるとともに、
前記巡回通路は、前記冷却媒体を前記発電機能部の外方に沿って一方向へ通過させるために、前記冷却媒体が流れる方向と交差する方向に且つ該発電機能部の側部と平行に延在する長孔を含むことを特徴とする燃料電池。
Comprising a fuel cell structure constituted by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between the anode electrode and a cathode electrode, a laminate laminating a separator sandwiching said fuel cell structure, the end of the laminate A fuel cell sandwiched between plates ,
Inside the fuel cell, a cooling passage for cooling a power generation function unit of the fuel cell structure is provided ,
In the laminate, a cooling medium supply hole and a cooling medium discharge hole communicating with the cooling passage ,
A cyclic path the cooling communicated to the medium discharge hole cooling medium used for cooling of the electric generation section, is circulated along the outer side of the power-generating function unit,
Is formed through ,
The circulation passage extends in a direction intersecting with a direction in which the cooling medium flows and in parallel with a side portion of the power generation function section, in order to allow the cooling medium to pass in one direction along the outside of the power generation function section. A fuel cell characterized by including an existing slot.
請求項6記載の燃料電池において、前記冷却通路は、前記発電機能部に対して前記冷却媒体を上下方向に供給するように構成されるとともに、
前記巡回通路は、前記発電機能部の外方両側部に沿って水平方向に該冷却媒体を巡回させることを特徴とする燃料電池。
7. The fuel cell according to claim 6, wherein the cooling passage is configured to supply the cooling medium to the power generation function unit in a vertical direction.
The fuel cell, wherein the circulation passage circulates the cooling medium in a horizontal direction along both outer sides of the power generation function unit.
請求項6または7記載の燃料電池において、前記巡回通路は、前記発電機能部の外方両側部に沿って前記冷却媒体を少なくとも一往復させることを特徴とする燃料電池。8. The fuel cell according to claim 6, wherein the circulation passage reciprocates the cooling medium at least once along both outer sides of the power generation function unit. 請求項6乃至8のいずれか1項に記載の燃料電池において、前記燃料電池の両端に配置される一対のエンドプレートを備え、
前記エンドプレートの少なくとも一方には、前記冷却通路を流れた使用済の前記冷却媒体を前記巡回通路に供給するための溝部が設けられることを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to any one of claims 6 to 8, further comprising a pair of end plates disposed at both ends of the fuel cell,
A fuel cell, wherein at least one of the end plates is provided with a groove for supplying the used cooling medium flowing through the cooling passage to the circuit passage.
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